universidade de brasilia seminários básicos de neurociências
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UNIVERSIDADE DE BRASILIA Seminários Básicos de
Neurociências
Luiz Cláudio Modesto Pereira Neurocirurgião funcional do HBDF Doutor em ciências da saúde - UNB Fellow em neurocirurgia Funcional - Utoronto
Bioeletrogênese: Potencial de membrana; Potencial de Ação ;
Transmissão Sinática; Monitorização das funções
neurais
Como funciona o cerebro?
Mecanismos de sinalização e transmissão de informação interneuronal
Oscilação de atividade elétrica
Mecanismos de sincronização
Roteiro Aula expositiva
Neurofisiologia bàsica : sinalização, transmissão, oscilação e sincronização
A) Conceitos básicos
potenciais de membrana potenciais de ação Potencias pos sinapticos Potenciais de baixo campo ...
B) Neurofisiologia e neuroregistro
C) Sinapses
D) Mudanças estruturais secundárias
Propagação de estímulos / fluxo de informações
Neurônio e unidade
sinalizadora
Unidade básica - Neurônio Corpo ou soma
Citosol Citoesqueleto:
o Microtubulos o Neurofilamentos o microfilamentos
Axônio Membrana plasmatica
o Trilaminar o Canais iônicos
Mielina
Dendritos Espinhas
o Sinapses
Hippocampal neuron cultured for 24 hours and stained for DNA in the nucleus (blue), microtubules (green), and actin filaments (red).
Neurônio : unidade sinalizadora
Variations in vertebrate neuronal morphology
Microtúbulos e cinesina
Transporte e Fluxo axoplasmatico Anterógrado Retrógrado
Reciclagem de membranas Neurotrasmissores
Microtúbulos e cinesina
Transporte e Fluxo axoplasmatico Anterógrado Retrógrado
Reciclagem de membranas Neurotrasmissores
Princípios de Eletrofisiologia Considerações elétricas
Força elétrica (íons): Os íons apresentam carga – excesso ou déficit de elétrons
no anel externo NaCl não tem carga NaCl não conduz corrente elétrica nesta forma H2O + NaCl -> Íons Na+ e Cl- “movem-se” , passam a ter
carga.
Íons com carga são como magnetos Não se atraem, se repelem
Esta é a base da condutibilidade e irritabilidade neural Gradiente Elétrico – Desbalanço de cargas Equilíbrio – movimento de cargas para alcançar o balanço
Força química ions tendem a se repelir até atingir o equilíbrio : “Como os cristais de tinta em água “
Princípios de Eletrofisiologia O neurônio é a unidade básica do sistema nervoso
Propriedades do neurônio :
Irritabilidade e condutividade Irritabilidade : propriedade básica do protoplasma que
permite que uma célula responda a estímulos Condutibilidade: propriedade básica ...propagação de
estímulos Células nervosas maximizam irritabilidade e condutividade
Características no corpo celular, que permitem a função Neuronal : O corpo esta composto por íons em uma solução - eletrólitos Todos eventos neurais dentro da célula (não fora) são
diretamente relacionados à presença e características destes íons
Princípios de Eletrofisiologia Requisitos para o potencial de repouso
1. Íons na solução : Na+, Cl-, K+ A- (moléculas protéicas)
2. Membrana Semipermeável
Seletividade de permeabilidade iônica: A membrana pode variar sua permeabilidade a alguns íons Ions A : não passam a membrana K+ e Cl- podem passar livremente pela membrana Na+ pode ou não passar pela membrana: crucial para
estabelecer e manter o potencial de repouso da membrana
Fosfolipídica
bilaminada
Membranas
Tipos de canais ionicos
Livre passagem
Modulados por voltagem
Com sítios reguladores
Potassium channel1 sodium–potassium pump
3. Transporte ativo (Bomba de Na+) Processo metabólico ativo, função da membrana celular Íons Na+ são bombeados para o exterior da célula Maior concentração de Na+ no lado de fora Eletródios fora da célula –> positivos em relação ao interior
4. Gradientes químicos e elétricos Íons Na+ não consegue manter equilíbrio = persiste fora
da célula Íons Cl- and K+ são livres para passar pela membrana O Ion K+ se move em função do gradiente elétrico, O movimento elétrico do Cl- para quando as forças são
iguais
Princípios de Eletrofisiologia Requisitos para o potencial de repouso
Princípios de Eletrofisiologia Registro da atividade elétrica
Os sistemas biológicos produzem diferenças de voltagem entre dois pontos, que podem ser registradas.
Os instrumentos de registro medem diferenças de voltagens Resultantes do desbalanço de íons Podem ser de grandes agrupamentos neuronais (EEG, PE...) Podem ser de uma área pequena (low field potential) ou
única célula (microeletrodos)
Registros são feitos por fios conectados ao indivíduo Conduzem atividade elétrica por conterem elétrons. Alguns íons vão conectar com o eletrodo negativo “doando seu
elétron” ao passo que alguns eletrons vão deixar o eletrodo na área positiva.
Este movimento é bem discreto Os amplificadores aumentam ao efeito deste movimento e
elétrons de forma que possam ser mensurados – registrados.
CRANIO CORTEX
Princípios de Eletrofisiologia Registro da atividade elétrica
Os sistemas biológicos produzem diferenças de voltagem entre dois pontos, que podem ser registradas.
Os instrumentos de registro medem diferenças de voltagens
Registros são feitos por fios conectados a órgãos, tecidos ou superfície
Excitação neuronal
Potencial de membrana: repouso
Potencial transmembrana – diferença iônica Na+ e K+ (fora/dentro)
Potencial pós sináptico
Excitatatório – reduz potencial de membrana Inibitório – aumenta potencial de membrana
Potencial transmembrana
Potencial pós sináptico
Excitação neuronal
Potenciais de ação: Condutância variável de Na+ e K+ controla
o potencial da membrana
A partir de uma determinada redução do potencial de membrana ocorre influxo abrupto de Íons e deflagra rápida inversão do potencial de membrana
Este evento propaga de ponto a ponto Se aplicada corrente de estimulo à membrana:
aumenta condutância ao sódio... -> PA
influxo abrupto de Íons
Propagação dos potencias de ação:
Tipos de Axônios
Amielínicos
Mielinizados
Efeitos da estimulação: Mudanças de potencial de membrana X deflagração de potencial de ação
Intensidade
Duração
Efeitos da estimulação:
Somatório das interações sinápticas
Somatório de interações sinápticas - sensorial
Registro Estimulação Lesão
Microregistro Micro Eletrodos e Micropipetas
Que pode ser traduzida !
“Cada célula fala uma linguagem”
Registro celular
Corpo celular Axonal Avaliação da atividade
neuronal fisiológia +/-, Caos, freq, duração,
oscilação...
Avaliação de situações induzidas
Avaliação de resposta a estímulos
Avaliação de interação entre neurônios
Sinapse Análise eletroquímica
Manipulação
Elétrica
Química
Física
Análise de respostas
Microregistro :
Em neurocirurgia
funcional é o guia ideal
para localização
Mapeamento de estruturas profundas
Microregistro em neurocirurgia
Neurofisiologia intra-operatória
Localização
Estudo de fenômenos
Teste de técnicas
AC
MCP
MCP
AC
Neuronal activity in the globus pallidus: Multiple system atrophy compared to Parkinson’s disease.
Técnicas de monitorização eletro fisiológica extra-operatória
Magnetoencefalografia
Avalia os PA
Arvore dendrítica?
Axônios!
Técnicas de monitorização eletro fisiológica intra-operatória
Eletrencefalografia:
superfície/sub/intradural
cortex/eletrodos profundos
Avalia os PEPS
Arvore dendrítica
Técnicas de monitorização eletro fisiológica intra-operatória
Eletrencefalografia: superfície/sub/intradural/cortex/eletrodos profundos
Potencias evocados: Visual/SS/Motor/Audit
Registro com macroeletrodos
Registro com microeletrodos
Imagem óptica cortical
Imagem funcional não invasiva
Estimulação elétrica
Bloqueio de função (crio ou químico)
Resposta a neurotransmissores
Potenciais evocados
Somato-
sensitivos
Avalia a via monitorizada
Via monitorizada PE SS
Auxilio localizatório - Mapeamento por PE :
Reversão e fase ...
Potenciais evocados
VIA Visual
Potencial evocado motor
Via monitorizada PE motor
Localização eletrofisiologica por PEs
Configurações de ondas dos PEs - múltiplas localizações
Potenciais evocados
talâmicos bifásicos são
observados no VP,
trifásicos no VIM...
Técnicas de monitorização eletro fisiológica intra-operatória
Eletrencefalografia: superfície/sub/intradural/cortex/eletrodos profundos
Potencias evocados: Visual/SS/Motor/Audit
Registro com macroeletrodos
Registro com microeletrodos
Imagem óptica cortical
Imagem funcional não invasiva
Estimulação elétrica
Bloqueio de função (crio ou químico)
Resposta a neurotransmissores
Eletrofisologia em neurocirurgia funcional:
Registro da atividade elétrica
Registro por Placas
Macro e microeletrodos
Atividade espontânea
Atividade evocada
Estimulação e inibição elétrica
Efeito clinico e sintomatico
Ação a curto e longo prazo
Lesão controlada
Mudança de impedância durante lesão programada
Técnicas de monitorização eletro fisiológica intra-operatória
Eletrencefalografia: superfície/sub/intradural/cortex/eletrodos profundos
Potencias evocados: Visual/SS/Motor/Audit
Registro com macroeletrodos
Registro com microeletrodos
Imagem óptica cortical
Imagem funcional não invasiva
Estimulação elétrica
Bloqueio de função (crio ou químico)
Resposta a neurotransmissores
Estimulação do SNC
Estimulação para localização do trato pyramidal (palidotomia)
limiares de resposta
Limiar de Reposta Motora
7v
3v
2v
1v
Baixa frequencia
Abalos-
Contraturas
Alta frequencia
Espasmos
Resposta autonômica
Resposta radicular
Temperatura
Perfusao do segmento
D10
L2
D 11
L1
3v
3v
2v
2v
1.5v
Resposta sensitiva
Estimulação cordonal posterior
D12
Estimulação e Topografia Ex : Estimulação Dorsal Medular (EDM)
Cobertura de parestesias Área de estimulação
Extremidade superior/hemicorpo
Precórdio
Lombar e extremidade inferior
C3 – C6
T1 – T2
T8 – T10
Pé T12 – L1
Raízes sacrais Normalmente S3 utilizando EME
retrógrada
Somatorio de informações Impedância & Limiares de resposta
Ex. Globo Pálido Interno :
cápsula interna
trato óptico
base do núcleo
Efeito clínico da estimulação
Sensoriais e Motores Melhora sintomática – espontânea e
provocada Dor Espasticidade Tremor, rigidez, bradicinesia...
Efeito clínico da estimulação
Efeitos esperados, colaterias e indesejados
Sensoriais Parestesias, Analgesia...
Motores Espasmos, contraturas,hipertonia Distonia, hipercinesia Bradicinesia, tremor
Efeitos autonômicos
Efeitos cognitivos Efeitos afetivos Alteração de fala, Outros :Alt oculomotricidade...
Mecanismo de ação da neuroestimulação
O princípio : baseado na despolarização dos
neurônios locais e das vias mais próximas,
induzindo respectivamente excitação ou inibição local,
além da possibilidade de difusão a áreas mais distantes por mecanismos antidrômicos e ortodrômicos.
+
-
Estimulação direta do SNC produz resultados teoricamente imprevisíveis:
Em estruturas sensori-motoras “geram” respostas positivas...
Em estruturas de linguagem e memória “geram” bloqueio de função...
Fatores que influenciam a resposta neuronal
Aferência Eferência Interneuronios Fibras próximas
Conecções locais Sinapses excitatórias e características Sinapses excitatórias e características
Modelos teóricos
Efeito da estimulação nos axônios difere do no corpo celular
Efeito nos axônios determina impacto nos grupos nucleares
Efeito no neurônio depende
Da distancia do eletrodo
Dos elementos de input
Eletrofisiologia: in situ
Hipótese 1 : Estimulação induz a inibição local sináptica Estudos in vivo mostram inibição...
Coincidência de supressão dependente de freqüência e resposta terapêutica dependente de freqüência
Hipótese 2 : Estimulação ativa a aferencia e/ou inibe o núcleo estimulado Ativação axonal eferente excede a inibição do
corpo celular
Inibição com alta freqüência
Inibição com baixa freqüência
Efeito da freqüência
Inibição parcial e total
Efeito de freqüências diferentes
Efeito da amplitude de estímulo
Estimulação induz a modulação
de mecanismos de sensitização ou dessensibilização: EXEMPLO
LPT, WIND UP...
de circuitos patológicos: EXEMPLO Estimulação de alta freqüência ativa projeções dopaminérgicas nigroestriatais.
Mecanismos gerais Ativação
Detalhes essenciais das conecções neuronais
Sinapses Neurotransmissores Receptores de
membrana Canais iônicos
Sinapses
Tipos de sinapses
Elétricas
Químicas
iônotropicas
Metabotrópicas
Electrical synapses
Neurotransmissores
Produção
Estoque
Liberação
TIPOS PRINCIPAIS:
Colinas = Ach
Aminas biogênicas = 5ht, catecolaminas
Aminoácidos=glutamato+/gaba,glicina,taurina-
Neuropeptideos=endorfinas ...
DINAMICA:
Síntese
Liberação
Recaptação
Degradação
Neurotransmissores:
Sinapses excitatórias
Regulação de receptores
UP
Down
Tipos de canais ionicos
Livre passagem
Modulados por voltagem
Com sítios reguladores
Canais iônicos
Voltage-gated calcium channel
Gabapentin
*
*
Oxcarbazepine
Eventos pos ativação sináptica
Cálcio , Oxido nítrico, cAMP
Fatores de regulação & interferência na função neuronal
Detalhes essenciais das conecções neuronais
Mudanças estruturais neuronais secundarias à neurotransmissão
Ativação de proteinokinases Transcrição protéica Seqüência de mudanças estruturais Reorganização sináptica
Mecanismos de controle da Transcrição
protéica
Modulação
Long Term Potentiation “Wind Up”
Long Term Potentiation
WIND UP
Remodelamento
Sinaptico
Dendritico
Sprouting
cytoskeletal reorganization occurring during axonal branching morphogenesis
Modulação
Alterações genéticas precoces pós anóxia Fatores de transcrição
Expressão gênica Morfologia Funcional
Epigenetic factors affecting the morphological differentiation of vertebrate neurons.
Conclusões
Fatores que influenciam a resposta neuronal
Aferência Eferência Interneuronios Fibras próximas
Conecções locais Sinapses excitatórias e características Sinapses excitatórias e características
Biofísica da neuroestimulação De forma simples um
neuroestimulador consiste de: uma fonte – uma bateria
uma chave de ligar e desligar
um par de fios de extensão
um par de eletrodos O catodo é o eletrodo de polo negativo
fora do neurônio – causa despolarização
Circuito simplificado
Biofísica da estimulação
V= I x R
A relação entre voltagem e corrente é governada pela lei de OHM.
Q = PA x PW (Carga por fase = amplitude de Pulso x largura de Pulso)
Q = PA x PW / cathodal area (Densidade de carga depende da área do eletrodo)
Existem dois tipos básicos de Estimulação por eletrodos
Monopolar
Campo de carga esférico
Mais simples
Maiores voltagens
Maior difusão de corrente
Melhor para maioria dos pacientes
Bipolar
Campo de carga alongado
Possivelmente mais complexo
Menor voltagem
Corrente mais focada
Melhor para pacientes com pequena janela terapêutica.
Eletrodos área de ação e captação
Amplitude
Duração de pulso
Freqüência
Polaridade
Morfologia do
estimulo
Características importantes dos estímulos
Tipos e parâmetros de pulso
Processos eletroquímicos Reversível Irreversível
Curva de segurança de estimulação
Carga a 50 Hz